冷原子共振三能级系统中量子绝热捷径技术的实验研究

Realization of fast and high fidelity manipulation of quantum sate is an essential part of quantum control.Through shaping control waveforms, stimulated Raman adiabatic passages in three levels system with single-photon resnoance can be used to transfer quantum states between ground states with high fidelity , which is a typical method for addressable quantum control. However, adiabatic passages is difficult to be adopted in practical experiments since the operation time is long. By eliminating the diabatic transition between the eigenstates, shortcut to adiabaticity can be used to realize fast and high fidelity quantum control. Therefore, we propose a scheme to accelerate resonant stimulated Raman adiabatic passages by shortcut to adiabaticity, eliminate the population in the excited state effectively through optimizing the control parameters, and are going to carry out experiments in cold atomic system. The project contains: 1. Realizing stimulated Raman adiabatic passages in magneto-optical trap and accelerating them through shortcut to adiabaticity; 2. Realizing stimulated Raman shortcut to adiabaticity within 100ns in optical dipole trap; 3. Realizing geometric quantum control of arbitrary states. The implement of this project will bring more valuable methods for accurate and fast control of cold atoms.

实现快速和高保真度的量子态操控是量子调控的重要研究内容。基于共振三能级系统的受激拉曼绝热通道通过控制脉冲波形进行基态间的高保真度转移，是实现可寻址量子操控的典型方法。然而，绝热过程需要的操作时间很长，很难被实际实验方案采用。量子绝热捷径技术可通过合适的方法抵消本征态间的非绝热跃迁，实现快速和高保真度的量子操控。基于此，申请人与合作者提出了利用绝热捷径技术加速共振受激拉曼绝热过程的实验方案，通过参数优化该方案可有效压缩激发态分量。本项目以此方案为基础，并在冷原子系统中开展实验研究。本项目的具体研究内容为：1. 在磁光阱中实现单光子共振的受激拉曼绝热过程，并采用量子绝热捷径技术对其加速，使操作时间缩短到us级别；2.在光阱中实现操作时间短于百ns的受激拉曼绝热捷径；3. 实现对任意量子态的几何量子门操控。本项目的实施成果将为冷原子的精确以及快速操控提供有价值的方法.

项目主要围绕量子绝热捷径以及几何量子计算等研究领域开展相关研究，针对量子绝热捷径在三能级系统实验实现的困难、与几何量子计算的结合等问题提出了合适的解决方案，主要取得了以下成果：. 1）实验实现在3能级系统中的微波与拉曼光的相干耦合操作，可用于实现共振受激拉曼过程的加速；实验实现将冷原子从磁光阱装载进光阱，并进行微波操控（Chin. Phys. Lett. 36, 080301(2019)）；. 2）提出非巡回超绝热几何量子计算，使得操作时间可以变成和转动角度成正比，给操作带来可观的加速（Phys. Rev. A 101, 022330 (2020)）;. 3）提出消相干子空间的超绝热几何量子计算，对于随机噪声，集体噪声以及系统噪声都具有很好的鲁棒性。该方案对于在离子阱体系实现超绝热几何量子计算具有一定的参考价值(Quantum Inform. Proc. 18,17 (2019));. 4）提出基于里德堡原子(Opt. Express 27,29639(2019))、复合系统(Opt. Lett. 44,4801(2019))的几何量子计算等理论方案，对于量子计算体系的扩展有一定的参考价值。. 项目执行期间总共发表6篇，其中2篇为原子分子物理权威期刊Physical Review A，2篇为光学权威期刊Optics Letter以及Optics Express，本人为论文中5篇的通信作者。其中，我们实验实现了三能级系统中微波光波相干耦合，成果发表在Chinese Physics Letter的论文，并得到了编辑推荐。.